Часть 1. Что такое квадрокоптер

Создание мультироторных летающих аппаратов — очень увлекательное занятие! Они сравнительно просты в сборке и управлении, но имеют свои особенности. В первой статье цикла мы постарались собрать базовые знания об устройстве и принципах полета квадрокоптера.
Это первая часть из цикла статей о квадрокоптерах, в которой я постараюсь максимально подробно объяснить как устроена и как летает простейшая мультироторная платформа.

Структурная схема квадрокоптера

Есть множество способов конфигурации двигателей: трикоптер, гексакоптер, октокоптер, но самый простой из них в сборке и управлении, это квадрокоптер, то есть мультироторная платформа с четырьмя двигателями. Мы построили именно квадрокоптер, поэтому будем рассматривать его. В свою очередь квадрокоптер может иметь + и Х- конфигрурацию. У «+»-коптера один из лучей направлен вперед, у «Х»-платформ основное направление находится между двумя соседними лучами. Эти два типа не отличаются друг от друга ничем, кроме того что на последнем проще закрепить камеру так, чтобы в ее поле зрения не попадали работающие винты. Поэтому наш коптер имеет «Х»-ориентацию.
Сразу скажу, что все изложение будет привязано к тому оборудованию, которое используем мы. Это проверенное сочетание устройств, которое мы рекомендуем и вам, так как они наиболее широко распространены, доступны и получает даже на первых парах получить неплохую стабильность полета. Подробное описание использованного оборудования вы сможете найти в следующей статье цикла.
На структурной схеме весьма условно все составляющие части нашего квдрокоптера. Красным цветом показаны цепи питания и черным — линии данных. На структурной схеме показаны те элементы, которые используем мы. Вид сверху:

Структурная схема квадрокоптера

Управление коптером осуществляется при помощи пульта управления, который передает команды радиоприемнику. Мы используем пульт Turnigy 9x. Сами модули радиоканала могут быть приобретены отдельно и установлены в совместимый пульт, но гораздо чаще используются готовые решения пульт с радиомодулем+приемник. Пульт питается от батареек, а радиоприемник получает питание от Полетного контроллера. Связь односторонняя, только от пульта к приемнику. Обычно приемник подключается к полетному контроллеру четырьмя проводами, по которым передаются сигналы поворота вокруг трех осей и команда «газа».
Задача полетного контроллера — переводить команды от пульта управления в сигналы задающие обороты двигателя. Также в нем установлены инерциальные измерительные датчики, позволяющие следить за текущим положением платформы и выполнять автоматические регулировки. Мы используем полетный контроллер DJI NAZA. который состоит из двух блоков. В первом из них находится стабилизатор питания и светодиод, отображающий статус. Во втором (основном) — непосредственно управляющая электроника. Разделение частей полетного контроллера обусловлено тем, что второй блок при установке должен быть размещен в строго определенном месте, а второй блок там, где оператору будет видно светодиод статуса.
ESC — это регуляторы оборотов электродвигателей. Дело в том, что в квадрокоптерах используют специальные бесколлекторные, которые способны работать на очень больших оборотах. Для управления этими двигателями необходимо формировать трехфазное напряжение и относительно большие токи, чем и занимаются регуляторы оборотов. Для каждого двигателя необходим свой регулятор оборотов. Для управления регуляторами оборотов принят такой же сигнал как и для сервоприводов, то есть импульсы следующие с частотой 50Гц и длительностью, меняющейся от 0,8 до 2,1мс. Чем длиннее управляющий импульс, тем выше обороты двигателя. Все четыре регулятора оборотов подключаются к полетному контроллеру. Питаются регуляторы непосредственно от аккумулятора. Обычно регуляторы имеют встроенный стабилизатор на 5В, который в коптерах используется редко. Этот стабилизатор необходим, когда нужно подключить регулятор напрямую к приемнику, в тех случаях когда двигатель только один (например, в авиамоделях).
Каждый двигатель подключен к своему регулятору оборотов тремя проводами. Последовательность подключения проводов определяет направление вращения двигателя.
Аккумулятор питает регуляторы и полетный контроллер. В строительстве коптеров применяют специализированные литий-полимерные аккумуляторы, о которых мы отдельно потом расскажем позже. Обратите внимание на подключенный к аккумулятору тестер. Когда заряд аккумулятора подходит к концу он издает звуковой сигнал оповещения. Летать без него очень опасно, так как можно испортить аккумулятор.

Оси квадрокоптера

Есть много терминов, обозначающих оси и вращающие моменты коптера (и любого другого летающего аппарата). Все многообразие возможных движений коптера мы попытались собрать на одной иллюстрации:

Оси квадрокоптера

Отличную анимацию на эту тему можно посмотреть здесь. Термины для обозначения пришли из авиации.
Throttle — переводится как «дроссель», «тяга» или «газ» в обиходе. В планерах «газ» определяет скорость движения вперед, то есть вектор силы приложен вдоль оси X. В коптерах он управляет подъемом платформы, то есть вдоль оси «Z».
Rudder, или «руль направления». У крылатых аппаратов это часть хвостового оперения, которая позволяет самолету поворачивать. В коптерах этим словом также обозначают управление носом платформы.
Elevator, или «руль высоты». В самолетах также находится в хвосте и позволяет задрать или опустить нос и, тем самым, снизиться или набрать высоту. В коптерах манипуляции с этим моментом силы позволяет коптеру двигаться вперед или назад.
Aileron, или «элероны». Часть конструкции крыла которая позволяет управлять креном самолета. Коптер за счет крена может двигаться боком влево или вправо.
Все эти термины применяются одновременно, но наиболее корректны названия моментов вращения Yaw, Pitch, Roll. Эти обозначения используются при работе с матрицами вращения.

Управление квадрокоптером

Полет контролируется стиками пульта. в предыдущем разделе показано соответствие движений стиков, движениям коптера. Однако важно понимать, как именно достигается движение в том или ином направлении. А происходит это за счет изменения тяги двигателей. Пояснить это проще всего при помощи рисунка:

Управление перемещением квадрокоптера

Структурная схема коптера фактически продиктована особенностями управления полетом. Например, моторы обязательно должны попарно вращаться навстречу друг другу. В противном случае платформа начнет закручиваться. Становится очевидна необходимость использования полетного контроллера. Когда оператор двигает стик газа вверх происходит одновременное увеличение оборотов всех двигателей. Для поворота носа платформы необходимо отклонить один стик горизонтально, а полетный должен увеличить обороты одной пары двигателей и замедлить для второй.
Теоретически можно подключить регуляторы непосредственно к приемнику. Каждый стик будет управлять тягой одного двигателя. Но совершенно невозможно вообразить себе каким мастерством должен обладать оператор совершить какое-нибудь подобие управляемого полета.

Стабилизация полета

Помимо преобразования команд оператора в команды двигателя полетный контроллер стабилизирует полет платформы. Стабилизация необходима по нескольким причинам:

• неидентичность винтомоторных групп (ВМГ)
• неидентичность регуляторов оборотов
• неравномерность распределения нагрузки на двигатели из-за смещения центра тяжести
• «сдувание» ветром

Для компенсации этих воздействий в составе полетного контроллера есть инерциальная измерительная система, которая включает в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр. В более дорогих моделях дополнительно используют GPS-приемники. Даже в те моменты когда оператор пытается просто удерживать коптер на месте полетный контроллер продолжает активно менять двигатель тягу двигателей компенсируя все возможные ускорения и вращения.
Ссылки на остальные части цикла статей о квадрокоптерах:
Часть 2. Элементы квадрокоптера
Часть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеров
Часть 4. Рама квадрокоптера
Часть 5. Подсветка коптера
Часть 6. Подключение элементов квадрокоптера
Часть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптера
Часть 8. Настройка регуляторов оборотов бесколлекторного двигателя
Часть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZA
Часть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000

Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.